水射流輔助激光復(fù)合刻蝕晶體硅的試驗研究.pdf

1、水射流輔助激光復(fù)合刻蝕方法以激光的熱去除能力為主要加工方式，利用水射流的冷卻作用降低熱應(yīng)力梯度，減少硬脆性材料崩裂缺陷，同時低壓射流產(chǎn)生的沖擊作用可以及時將復(fù)合加工導(dǎo)致的熔渣排除，提高加工質(zhì)量，并間接提高加工效率，但復(fù)合刻蝕方法中所涉及的工藝參數(shù)眾多，而且參數(shù)之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，為了能夠更好的發(fā)揮這一復(fù)合刻蝕方法的優(yōu)越性，仍需對相關(guān)領(lǐng)域進行更深的研究。本文采用水射流輔助激光復(fù)合加工方法對多晶硅進行刻蝕加工，以研究水射流在復(fù)合刻蝕過程中

2、起到的作用為目的，并結(jié)合激光工藝參數(shù)總結(jié)一套最佳的工藝方案，具體做了以下工作：
　　（1）復(fù)合刻蝕方法中水射流工藝參數(shù)對刻蝕結(jié)果影響的研究。分析水射流速度對刻蝕槽體表面形貌、槽體深度影響，結(jié)果表明水射流的引入可以有效改善復(fù)合刻蝕質(zhì)量，并且水速越高，改善作用越明顯，相比激光直接刻蝕多晶硅，復(fù)合刻蝕方法對裂紋、重鑄層等缺陷的改善作用明顯。研究水射流速度對槽體深度影響規(guī)律，結(jié)果表明水射流沖擊、冷卻作用隨水速變化所占的主導(dǎo)作用不同導(dǎo)致槽體

3、深度出現(xiàn)先降后升的規(guī)律。另外研究靜態(tài)水情況下的刻蝕結(jié)果，發(fā)現(xiàn)刻蝕產(chǎn)生的裂紋、熔渣缺陷較多，刻蝕產(chǎn)生槽體深度也不如激光直接刻蝕和較高射流速度下復(fù)合刻蝕產(chǎn)生的槽體深度。研究水射流速度及入射角度對刻蝕槽體入口寬度影響，發(fā)現(xiàn)較高速度的水射流可以提高槽體的入口寬度，并且大角度入射水射流形成的槽體入口寬度更窄。
　　（2）研究激光工藝參數(shù)對復(fù)合刻蝕結(jié)果的影響。分析了激光脈寬及重復(fù)頻率對復(fù)合刻蝕槽體深度和截面形狀影響，結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)激光脈

4、寬及重復(fù)頻率的增加可以提高刻蝕槽體深度，但由于激光器本身功率限制，過高的激光脈寬及重復(fù)頻率，反而會使復(fù)合刻蝕的槽體深度降低，另外，脈寬較高時容易產(chǎn)生水滴形的截面形狀，而頻率參數(shù)變化則很少出現(xiàn)水滴形截面。研究激光脈寬和重復(fù)頻率對復(fù)合刻蝕產(chǎn)生槽體的入口輪廓平整度影響，分析表明較高的脈寬可以減少槽體入口輪廓的平整度，而頻率變化會導(dǎo)致入口輪廓的粗糙度值出現(xiàn)先高后低的趨勢。
　?。?）采用正交試驗法總結(jié)了一套最佳的工藝方案。以激光脈寬、頻率

5、、輸入電流和水射流速度為分析因子，以槽體深度、槽體截面錐度和槽體入口輪廓平整度為標準，采用正交實驗法分析各項因子對相關(guān)標準的影響程度，對正交實驗總結(jié)出的單項標準最佳工藝參數(shù)進行試驗驗證，最終分析得到一套工藝方案，使復(fù)合刻蝕質(zhì)量和復(fù)合刻蝕效率都得到了保證。
　　（4）建立復(fù)合刻蝕方法中水射流的沖擊模型。分析水射流角度及速度對槽體截面形狀的影響，并通過相關(guān)試驗驗證模擬的結(jié)果。采用光滑粒子流體動力學(xué)方法建立水射流沖擊模型，對水射流在復(fù)合

6、刻蝕過程中的沖擊作用進行了詳細分析，并以此研究不同水射流入射角和速度參數(shù)對槽體截面形狀產(chǎn)生的影響，最終通過試驗驗證所建立模型的合理性，結(jié)果表明較高的水射流速度有利于改善槽體截面形狀，并且小角度入射水射流容易形成V形截面，而大角度入射水射流易形成標準的U形截面，另外大角度入射水射流產(chǎn)生沖擊力的利用率比小角度入射水射流的利用率高，而小角度入射的水射流對懸空在槽縫中熔渣的去除效果更好，這使得槽體寬度更大。試驗的驗證結(jié)果表明所建立模型的合理性，